壓差可控開關的製作方法
2023-05-20 14:10:46
專利名稱：壓差可控開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於MOS集成電路開關。特別地，它涉及一種根據外電路兩端電壓差值控制 電路的導通與斷開的MOS集成電路開關。
背景技術：
眾所周知MOSFET開關管廣泛地應用在各種各樣的集成電路之中，開關管的導通或斷開 是由開關管柵極連接的集成電路的正電源和負電源來控制的。對於P型MOSFET開關管，它有 源極、漏極、柵極和管襯底四個埠，通常集成電路是在P型矽片上製作的，它的襯底是P 型矽片，P型MOSFET開關管的管襯底是由N阱區形成，接在這四個埠的最高電位上或者正 電源電壓上。當柵極連到負電源或地上時，柵極下面的N型矽反型成P型矽，開關管導通， 電流或電壓可以在源極和漏極之間流動，，反之，當柵極連到正電源上時，開關管柵極下面的 N型矽N型加強，源極和漏極被兩個反相二級管隔斷，在源極和漏極之間無電流或電壓流動， 開關管斷開。對於N型MOSFET開關管，它有源極、漏極、柵極和管襯底四個埠，通常它的 管襯底與集成電路晶片的襯底是同一個襯底，在P型矽片上製作的，它的襯底是與接在這四 個埠的最低電位上或者負電源上，當柵極連到正電源上時，開關管導通，電流或電壓可以 在源極和漏極之間流動，反之，當柵極連到負電源上時，開關管斷開，源極和漏極被隔斷， 在源極和漏極之間無電流或電壓流動。存在這樣的應用，在某些時候，集成電路晶片上的供電正電源(或負電源)低於(或高 於)外接輸入或輸出接口的電壓，這樣MOSFET開關管兩端電壓中的其中一端高於正電源或低 於負電源，P型M0SFET開關管的管襯底不是接在開關管的四個埠的最高電位上，N型M0SFET 開關管的管襯底不是接在開關管的四個埠的最低電位上，按以上所述方法連接的MOSFET開 關管由於不能關斷而將不能正常工作。同時，當外接輸入和輸出接口的電壓差值過大，特別是瞬時的過量電荷衝擊超過了 MOSFET開關管的承受能力，造成MOSFET開關管被擊穿，則直接導致集成電路無法回復到符 合設計要求的正常工作狀態。發明內容本發明即為了解決上述問題，使開關能夠根據外接電路的電壓差值以及輸入控制信號，自動 的根據設置條件閉合與斷開，並允許外界電壓高於MOSFET開關管一定範圍，從而對MOSFET開 關管進行保護，防止瞬時的過量電荷衝擊造成MOSFET開關管被擊穿。本發明是通過如下技術方案實現的-一種壓差可控開關，包括兩類埠和三類模塊，具體為外界埠，標記為A端與B端，開關閉合時外界埠A端與B端連通，開關斷開時外界埠 A端與B端斷開；控制埠，由若干埠d、 C2……Cn組成，向電平位移部分傳送控制信號； MOSFET開關管部分，由兩個或兩個以上串聯的MOS管構成，第一端與第二端分別連接在A端 和B端，組成該部分的各MOS管的柵極連接不同的控制和限幅輸出部分； 控制和限幅輸出部分，第一端連接外界電路的A端或B端，其餘埠連接電平位移部分，並 視開關功能需要連接M0SFET開關管部分各M0S管的柵極；電平位移部分，由外加控制信號C端進行控制，控制埠的數量不限，輸出信號連接控制和 限幅輸出部分。所述MOSFET開關管部分，既可以是兩個MOSFET串聯構成，也可以是多個M0SFET管的串聯構 成，還可以是兩組或兩組以上的MOSFET管串聯以後再並聯的混合結構。串聯的M0S管中，最 靠近A端的M0S管的襯底倒向A端，MOS管的柵極對應連接在與A端相連的控制與限幅輸出 部分；最靠近B端的MOS管的襯底倒向B端，MOS管的柵極對應連接在與B端相連的控制與 限幅輸出部分；位於中間的各MOS管根據需要，襯底可以倒向A端或B端，倒向A端時MOS 管的柵極對應連接在與A端相連的控制與限幅輸出部分，倒向B端時MOS管的柵極對應連接 在與B端相連的控制與限幅輸出部分。各組成MOS管既可以是P型MOSFET管，也可以是N型 M0SFET管，或者是P型MOSFET管和N型MOSFET管的任意組合而成的混合體。 所述控制和限幅輸出部分，包括交叉連接的雙M0S開關管對，以及並聯在開關管對的源漏級 之間的限幅器。雙MOS管開關管對的源極作為控制和限幅輸出部分的第一端連接外界電路， 雙MOS開關管的柵極與漏極交叉連接，分別作為控制和限幅輸出部分的輸出埠，連接電平 位移部分，並視開關功能和需要連接MOSFET開關管部分。並聯在開關管對的源漏級之間的限 幅器，對外界電路電壓進行限幅，保護M0S開關管各M0S管不被擊穿，具體實現可以為通常 的模擬集成方法實現的各種限幅器。所述電平位移部分，包括但不限於以下部分組成輸入信號處理單元；NM0S差分對管；恆流 源。輸入信號處理單元由一個或數個傳輸門結構的MOS管構成,每個傳輸門結構均由 一個NM0S 管和一個PM0S管組成，傳輸門MOS管的柵極由外加控制信號控制，從而將控制信號或控制信號的反相信號傳至NMOS差分對管，進行了電平的位移；NMOS差分對管柵極連接輸入信號單元，源極連接恆流源，漏極作為電平位移單元的輸出埠連接控制和限幅輸出部分；恆流源 由通常的模擬電路實現方法實現，向NMOS差分對管提供穩定的電流，並提高NMOS差分對管源極的電壓。以上所述的M0SFET開關管部分、控制和限幅輸出部分、電平位移部分，可採用普通MOS開關 管以節約開銷，其型號可釆用同一類型，也可採用不同類型。說明書附1是表示本發明的壓差可控開關的簡略結構框圖。圖2是表示本發明的壓差可控開關的MOSFET開關管部分的實施方式的電路圖。圖3是表示本發明壓差可控開關的控制和限幅輸出部分的實施方式的電路圖。圖4是表示本發明的壓差可控開關的第三輸入控制信號處理部分的實施方式的電路圖。
具體實施方式
參照
本發明的實施方式。圖1是表示本發明的壓差可控開關的的簡略結構框圖。圖1所示的壓差可控開關具有由兩 個或兩個以上串聯的MOS管構成、控制電路導通與斷開的M0SFET開關管部分1;對開關外接 電路兩端電壓差進行比較和限幅的控制和限幅輸出部分2、 3;根據外加信號對開關進行電平 調整的電平位移部分4、 5。控制和限幅輸出部分2、 3可以一致也可以不一致；電平位移部 分4、 5可以一致也可以不一致。 由圖1說明壓差可控開關的工作原理如下當A、 B兩端電壓未超出設定閾值時，控制與限幅輸出部分將控制MOSFET部分各個MOS管工作在線性區，AB之間電路導通，MOSFET開關管部分的工作類似於電阻。當A端和/或B端電壓超出設定閥值時，連接在電壓超出設定值一端的控制與限幅輸出部分將發出控制信號，使柵極與之對應相連的MOSFET開關管中的MOS管截止，從而斷開AB之間的電路。當A端和/或B端電壓過高有可能擊穿M0S管或其他元器件時，控制與限幅輸出部分將對電壓 值進行限幅，從而確保M0SFET開關管部分各開關管兩端電壓差值不超過M0S管的承受能力。圖2是表示本發明的壓差可控開關的M0SFET開關管部分的實施方式的電路圖。圖2 (a)是本發明的壓差可控開關的MOSFET開關管部分的第一實施例，由兩個串聯的PMOS管組成。M0S管M21的襯底連接A端，MS管M21的柵極連接在與A端相連接的控制和限幅輸出部分；M0S管M22的襯底連接B端，MOS管M22的柵極連接在與B端相連接的控制和限幅輸出部分。當外電路A端超過設置的門限閾值，與A端相連的控制與限幅輸出部分將輸出控制信號，使 相應的M0S管M21的柵極收到高電平信號，從而斷開M0S管M21，電路斷開；同樣的，當外 電路B端超過設置的門限閾值，與B端相連的控制與限幅輸出部分將輸出控制信號，使相應 的MOS管M22的柵極收到高電平信號，從而斷開MOS管M22，電路斷開；當A、 B兩端電壓均 超過設置的門限閾值，則MOS管M21、 M22均截止，電路斷開。當外電路A端電壓和B端均低於設定的門限閾值，兩PMOS管將處於正常工作狀態，MOS管M21 和M22均可視之為電阻，電路導通，開關處於閉合狀態。圖2 (b)是表示本發明的壓差可控開關的MOSFET開關管部分的第二實施例，由4個串聯的 PMOS管組成，其中M21、 M23的襯底向A端偏置，柵極受到連接A端的控制與限幅輸出部分 的控制；M22、 M24的襯底向B端偏置，柵極受到連接B端的控制與限幅輸出部分的控制。 這一連接方式較之圖2 (a)的連接，增加了串聯的MOS管，從而能夠提高設定的門限閾值， 在A、 B間導通時MOSFET則相當於較大的電阻，從而限制過大的電流對電路元件造成的損害。 基於以上的原理，MOSFET開關管可以在以上實施例的基礎上繼續增加串聯的MOSFET開關管， 從而滿足更高的電壓差閾值需求，並限制過大電流對元件的損害。圖3是表示本發明的壓差可控開關的控制與限幅輸出部分的實施方式的電路圖，由圖可以看 出，控制與限幅輸出部分由交叉連接的MOS管對和限幅器電路組成。由兩個PMOS管組成的交叉連接的MOS開關管對，將外加電路A端或B端的電壓通過MOS管對 連接至電平位移部分，並視需要部分或全部連接MOSFET開關管部分。限幅器並聯在交叉連接 的MOS開關管對的源極和漏極之間，作為交叉連接的MOS開關管對的偏置電路。 由於PM0S管的柵極交叉連接，從而保證了MOS管的兩輸出端中僅有一個為高電平，另一個為 低電平，M31和M32漏極端輸出具體是高電平還是低電平則直接取決於電平位移部分接收到 的外加輸入信號。基於這樣的運用，交叉連接的MOS管M31和M32與MOSFET開關管部分的連接，將根據開關實 現的功能和MOSFET開關管部分的MOS管類型來決定。當外加電路A端或B端電壓過高，且電平位移部分輸出D點為高電平，則E點必為低電平，D 點所連接的MOSFET開關管部分的各PMOS管，或E點所連接的MOSFET開關管部分的各NMOS管，將處於截止狀態，從而使MOSFET開關管兩端的外界電路斷開。基於同樣的原因，當三電 平位移部分輸出D點為低電平，則E點必為高電平，也可以控制電路的斷開。 同時，並聯在交叉連接的MOS開關管對的源極和漏極之間的限幅器，使得MOS開關管對源漏 極之間的電壓差比較穩定，控制與限幅輸出部分輸出端的電壓幅度受到限制。 由於限幅器電路限制了 A端(或B端)與D點(或E點)之間的電壓差幅值,亦即限制了 MOSFET 開關管各相應MOS管的源極(或漏極)之間的電壓差，從而防止過高的電壓對MOSFET開關管 的擊穿，保護了開關管的正常工作。圖4表示本發明的壓差可控開關的電平位移部分的電路圖，包括但不限於以下單元輸入信 號處理單元；醒OS差分對管；恆流源。圖4 (a)表示本發明的壓差可控開關的電平位移部分的第一實施例，圖中輸入信號處理單 元411和412，均由一個傳輸門組成，向NMOS差分對管的柵極傳送外加的控制信號。圖中的 外加控制信號分別為d和C2，可以將其擴展為多個控制埠，也可以在d或C2之前增加一個 反向器之後合併為一個控制信號埠，從而使輸入信號處理單元的411和412的輸入信號為 反向信號。輸入信號處理單元411的傳輸門的NMOS管和PMOS管分別連接外加控制信號d和C2，傳輸門 的輸入端連接外加電壓V,，輸出端連接剛0S差分對管421的一MOS管的柵極；輸入信號處理 單元412的傳輸門的PM0S管和剛0S管分別連接外加控制信號d和C"傳輸門的輸入端連接 外加電壓V2,輸出端連接NMOS差分對管421的另一 M0S管的柵極。NMOS差分對管421，其柵極連接輸入信號單元411和412，源極連接恆流源431，漏極作為電 平位移單元的第三端和第四端連接控制和限幅輸出部分；恆流源431，由通常的模擬電路實現方法實現，向NM0S差分對管提供穩定的電流，並提高NM0S 差分對管源極的電壓。由於這樣的連接方法，傳輸門在外加控制信號使之導通的時候，將相應的電平位移至NMOS差 分對管，而不改變外加的電平值。具體而言，當C,為高電平和/或C2為低電平時，輸入信號 處理單元411將電平值V,傳至所連接的NM0S差分對管的柵極；當C,為低電平和/或G為高電 平時，輸入信號處理單元411將電平值V2傳至所連接的NM0S差分對管的柵極。 NM0S差分對管421的兩柵極將接收到的位移電平V,和V2通過差分放大後，由輸出端D、 E連 接控制和限幅輸出部分。這一連接使NM0S差分對管的源極和漏極的電壓能夠浮動在一定範圍內，從而擴大了開關能夠承載的電壓，對保護開關不受擊穿起到相應的作用。圖4 (b)表示本發明的壓差可控開關的電平位移部分的第二實施例，圖中輸入信號處理單元411和412，均由兩個串聯個傳輸門組成，且兩傳輸門倒向連接，亦即第一傳輸門的NMOS 管連接第二傳輸門的PMOS管，第一傳輸門的PM0S管連接第二傳輸門的NM0S管。兩傳輸門的 銜接處作為輸入信號處理單元411和42的輸出端，向NM0S差分對管的柵極傳送外加的控制 信號。圖中輸入信號處理單元411和412的柵極所連接的外加控制信號已經合併為控制信號 C,使輸入信號處理單元的411和412的輸入信號為反向信號，在實際應用中可以將其擴展為 多個控制埠，也可以如圖4 (a)所示分為d和C2。輸入信號處理單元411中傳輸門的輸入 端分別連接Vi和V2，輸入信號處理單元412中傳輸門的輸入端分別連接V3和V4，根據控制信 號C，分別將不同的電壓值加到NM0S差分對管421M0S管的柵極。 NMOS差分對管421和恆流源431的構建方式和工作原理與圖4 (a)相同。 這一連接方式能夠使剛OS差分對管的柵極根據外加控制信號C的值，合理的選擇傳輸的位移 電平，使得NMOS差分對管的電壓浮動範圍進一步增大，並使D、 E兩點的電平能夠根據控制 信號C而產生很大的改變，並將這一電平傳至控制與限幅輸出部分，並視需要傳遞至MOSFET 開赴開關管部分。圖4 (c)表示本發明的壓差可控開關的電平位移部分的第三實施例，在圖(a)的基礎上， 兩組相對獨立的NM0S管差分對和恆流源共用輸入信號處理單元，從而節約了器件開銷和電路 面積。根據電路的需要，可以繼續增加相對獨立的NMOS管差分對和恆流源數量而共用輸入信 號處理單元。其工作原理與圖4 (a) —致。圖4 (d)表示本發明的壓差可控開關的電平位移部分的第四實施例，在圖(b)的基礎上， 兩組相對獨立的NM0S管差分對和恆流源共用輸入信號處理單元，從而節約了器件開銷和電路 面積。根據電路的需要，可以繼續增加相對獨立的NMOS管差分對和恆流源數量而共用輸入信 號處理單元。其工作原理與圖4 (a) —致。上述實施實例只是應用中的有限的一部分，其他實施實例還包括但不限於所述壓差可控 開關由以上所述功能塊中的某一個部分、某幾個部分或者所有部分的組合構成，並且本發明 不局限於這些實施形態，而由權利要求的範圍示出，與權利要求的範圍均等的內容和權利要 求的範圍之內的所有變更或變化都包含在本發明要求的權利範圍之內。工業上利用和應用的可能性本發明的壓差可控開關可以應用於但不限於電池保護晶片、電源管理晶片、集成電路和 集成晶片的保護電路或裝置等等與本發明相關的所有應用範圍和場合中。
權利要求
1. 一種壓差可控開關，其特徵在於，包括兩類埠和三類模塊，具體為外界埠，標記為A端與B端，開關閉合時外界埠A端與B端信號通路連通，開關斷開時外界埠A端與B端信號通路斷開；控制埠，由若干埠C1、C2……Cn組成，傳遞向電平位移部分傳送控制信號；第一類模塊即MOSFET開關管部分，由兩個或兩個以上串聯的MOS管構成，第一端與第二端分別連接在A端和B端，組成該部分的各MOS管的柵極連接不同的控制和限幅輸出部分；第二類模塊即控制和限幅輸出部分，第一端連接外界電路的A端或B端，其餘埠連接電平位移部分，並視開關功能需要連接MOS管部分各MOS管的柵極；第三類模塊即電平位移部分，由外加控制信號通過控制口C1、C2……Cn進行控制，控制埠的數量不限，輸出信號連接控制和限幅輸出部分。
2. 根據權利要求1所述壓差可控開關，其特徵在於，所述的MOSFET5f關管部分，串聯的MOS 管中，最靠近A端的MOS管的襯底倒向A端，MOS管的柵極對應連接在與A端相連的控制與 限幅輸出部分最靠近B端的MOS管的襯底倒向B端，MOS管的柵極對應連接在與B端相連 的控制與限幅輸出部分；位於中間的各MOS管根據需要，襯底可以倒向A端或B端，倒向A 端時該MOS管的柵極對應連接在與A端相連的控制與限幅輸出部分，倒向B端時該MOS管的 柵極對應連接在與B端相連的控制與限幅輸出部分。
3.根據權利要求1所述壓差可控開關，其特徵在於，所述的MOSFET開關管部分，既可以是兩 個MOSFET串聯構成，也可以是多個MOSFET管的串聯構成，還可以是兩組或兩組以上的多個 MOSFET管串聯以後再並聯的混合結構，各MOS開關管既可以是P型MOSPET管，也可以是N 型MOSFET管，或者是P型MOSFET管和N型MOSFET管的任意組合而成的混合體。
4.根據權利要求1所述壓差可控開關，其特徵在於，所述的控制和限幅輸出部分，包括 交叉連接的雙MOS開關管對，可以是PM0S開關管對或NM0S開關管對，MOS開關管的源極作 為控制和限幅輸出部分的第一端連接外界電路A端或B端，MOS開關管的柵極與漏極交叉連 接，分別作為控制和限幅輸出部分的輸出埠，連接電平位移部分，並視開關功能和需要連 接M0S管部分，從而將外加電路的較高的電壓信號傳至MOSFET開關管部分，使MOS管截止以 斷開外界電路並聯在開關管對的源漏級之間的限幅器，對外界電路電壓進行限幅，保護MOS開關管各MOS 管不被擊穿，具體實現可以為通常的模擬集成方法實現的各種限幅器。5根據權利要求1所述壓差可控開關，其特徵在於，所述的電平位移部分，包括 輸入信號處理單元，由一個或數個傳輸門結構的MOS管構成，傳輸門MOS管的柵極由外加控 制信號控制，從而將控制信號或控制信號的反相信號傳至NMOS差分對管,進行了電平的位移; NMOS差分對管，其柵極分別連接不同的輸入信號單元，源極連接恆流源，漏極作為電平位移 單元的輸出埠連接控制和限幅輸出部分；恆流源，由通常的模擬電路實現方法賣現，向醒OS差分對管提供穩定的電流，並提高,0S 差分對管源極的電壓。6根據權利要求l、 2、 3、 4、 5所述壓差可控開關，其特徵在於所述的MOSFET開關管部分、 控制和限幅輸出部分、電平位移部分，可採用普通M0S開關管以節約開銷，其型號可採用同 一類型，也可採用不同類型。
全文摘要
本發明提供一種壓差可控開關，能夠根據外電路兩端電壓差值控制電路的導通與斷開。該壓差可控開關具有由兩個或兩個以上串聯的MOS管構成、控制電路導通與斷開的MOSFET開關管部分(1)；利用開關外接電路兩端電壓差對MOSFET開關管部分進行控制的控制和限幅輸出部分(2)和(3)；根據外加信號對開關進行電平調整的電平位移部分(4)和(5)。該電路能夠處理外界電路兩端電壓高於MOS管擊穿電壓一定範圍的情形，合理的避免MOS管出現擊穿。
文檔編號H03K17/08GK101222218SQ20071003650
公開日2008年7月16日 申請日期2007年1月12日 優先權日2007年1月12日
發明者曹先國 申請人:曹先國